El flujo de muones en Gran Sasso podría explicar la oscilación anual en el detector de materia oscura DAMA/LIBRA

La ciencia avanza sin pausa como una locomotora, arrasando resultados previos que no estén asentados de forma firme. «La modulación anual de la señal en los detectores directos de materia oscura» observada por DAMA/LIBRA y confirmada por CoGeNT, podría ser explicada gracias al flujo de muones de los rayos cósmicos que penetran en el Laboratorio de Gran Sasso, donde está situado DAMA/LIBRA. Tres experimentos que se encuentran allí, MACRO, LVD y Borexino, han encontrado una oscilación anual compatible (en fase) con la de DAMA/LIBRA en el flujo de muones capaces de atravesar la montaña que protege este laboratorio subterráneo. El resultado se ha observado tras analizar los datos de estos tres detectores en los últimos 20 años y confirma la oscilación a 5,2 sigmas de confianza estadística. Por ahora no se puede afirmar que este nuevo resultado explique la oscilación de DAMA/LIBRA sin necesidad de materia oscura, ya que varios estudios teóricos apoyan la hipótesis contraria (que los muones no podían explicar la señal observada). El nuevo estudio además ha encontrado una sorpresa, el flujo oscilatorio observado encontrado presenta una modulación entre 10 y 11 años en fase con el ciclo solar; nadie esperaba que el Sol pudiera producir un flujo de muones con la energía observada que fuera capaz de alcanzar un laboratorio subterráneo como Gran Sasso. Además, los datos de la temperatura de la estratosfera no muestran la existencia de esta oscilación, por lo que los autores del estudio se atreven a calificar como «la anomalía de los muones» a esta discrepancia. Este nuevo resultado dará mucho que hablar en los próximos meses. El artículo, para los interesados en los detalles técnicos del análisis, es Enrique Fernandez-Martinez, Rakhi Mahbubani, «The Gran Sasso muon puzzle,» arXiv:1204.5180.

Esta figura ilustra por qué la modulación de los muones no explica fuera de toda duda la modulación observada por DAMA/LIBRA y cómo aún se mantiene cierta tensión entre ambas modulaciones. La fase de la modulación de muones es de 177,4 ± 2,2 días (con respecto al 1 de enero de 1991) mientras que la de la modulación anual de DAMA/LIBRA es algo menor (de unos 140 días); cambiar el punto de referencia para la medida de la fase no altera esta discrepancia. Este resultado va en la línea de resultados previos basados en un menor número de datos sobre los muones. Aún así, es muy sugerente la existencia de ambas modulaciones en el mismo laboratorio (LNGS). Ahora es el turno de los físicos teóricos que tendrán que darle al coco para tratar de explicar cómo es posible que la modulación anual de los muones explique el resultado observado en los detectores de materia oscura de DAMA/LIBRA. La ciencia, como siempre, apasionante y repleta de sorpresas.

Lo último sobre la anomalía de las Pioneer confirma de forma definitiva su origen térmico

En julio de 2011, la NASA ofreció nuevos datos que apuntaban a la respuesta definitiva para la anomalía de las sondas Pioneer, sin embargo, quedaba un pequeño porcentaje de anomalía sin explicación, como un 20% del valor. El último trabajo de Slava G. Turyshev y sus colegas corrige de forma definitiva esa discrepancia y confirma ya de todas todas que la anomalía de las sondas Pioneer tiene un origen térmico, la emisión anisótropa de radiación térmica debida a los motores generadores de electricidad de radioisótopos de plutonio (RTG de plutonio), la fuente de energia eléctrica de la sonda. El asunto ya está definitivamente resuelto y la anomalía queda completamente explicada. El artículo técnico se lee fácil y se lo recomiendo a quienes estén interesados en más detalles técnicos:  Slava G. Turyshev, Viktor T. Toth, Gary Kinsella, Siu-Chun Lee, Shing M. Lok, Jordan Ellis, «Support for the thermal origin of the Pioneer anomaly,» ArXiv: 1204.2507, 11 Apr 2012.

Más información en este blog: «Todo lo que siempre has querido saber sobre la anomalía de las sondas Pioneer,» 22 enero 2010; «Disipación térmica asimétrica como causa de la anomalía de las sondas Pioneer,» 20 noviembre 2009; «El sistema solar como un gran laboratorio para la gravedad (o ideas sobre la anomalía de las sondas Pioneer),» 28 enero 2008.

Todo lo que siempre has querido saber sobre la anomalía de las sondas Pioneer

Lo siento, yo no te lo voy a contar, no voy a traducir 163 páginas de documentación sobre lo que de verdad se sabe sobre la anomalía de las sondas Pioneer. Todas tus preguntas (salvo la más importante, por qué se produce) sobre la anomalía de las sondas Pioneer te las contestará el artículo de revisión de 163 páginas de Slava G. Turyshev, Viktor T. Toth, «The Pioneer Anomaly,» ArXiv, 20 Jan 2010. ¡Ah, que todavía no lo sabes! La anomalía de las sondas Pioneer se refiere a la aparente aceleración que las sondas Pioneer 10 y 11 han mostrado cuando se encontraban a distancias del Sol entre 20 y 70 UA (unidades astronómicas). Esta aceleración a_P = (8,74 ± 1.33) × 10^-10 m/s² viola aparentemente la ley de gravitación universal de Newton (la ley de la inversa del cuadrado) y actualmente no tiene ninguna explicación definitiva, aunque se han propuesto muchísimas explicaciones posibles (más o menos convincentes). El artículo de Turyshev y Toth menciona alguna de esta especulaciones, pero no se recrea en ellas, ni pretende presentar de forma sistemática todas las que hay.

Hoy en día, la existencia de la anomalía no puede ser puesta en duda. Sin embargo, los nuevos análisis de los datos radiométricos de las Pioneer indica que la aceleración anómala no es constante sino que va decreciendo ligeramente conforme pasa el tiempo (como muestra la figura de la izquierda). Además, la dirección a la que apunta la aceleración anómala tampoco está clara (tiene un error de unos 3º). Podría apuntar al Sol (1 en la figura de la derecha), hacia la Tierra (2 en la figura), en la dirección opuesta a la velocidad de la sonsa (3 en la figura) o en la dirección del eje central de la sonda (4 en la figura). La anomalía se ha observado en la Pioneer 10 hasta una distancia de 70 UA, y en la Pioneer 11 desde una distancia de 20 UA, sin embargo, no se sabe si la anomalía estaba presenta a distancias más pequeñas. La anomalía presenta un error sistemático oscilatorio con variaciones diarias y anuales claramente visibles, pero no se sabe si tienen algo que ver con la explicación de la anomalía. Las Pioneer también presentan una anomalía de espín, pero no se sabe si está relacionada con la aceleración anomalía. Finalmente, la explicación menos esotérica, que la anomalía es debida a una radiación de calor de los motores anisótropa no se puede descartar, ya que se cree que ha sido subestimada en estudios anteriores.

Los autores de este artículo de revisión han emprendido un proyecto de investigación exhaustivo que reanalizará todos los datos telemétricos de las sondas Pioneer 10 y 11 mediante un nuevo software de análisis de datos y esperan que en menos de una década el problema de la anomalía de las sondas Pioneer sea resuelto. Esperemos que así sea.

Más sobre la anomalía de las Pioneer en este blog:

Los satélites de Neptuno podrían descartar una solución gravitatoria a la anomalía de las sondas Pioneer, 18 Diciembre 2009;

Disipación térmica asimétrica como causa de la anomalía de las sondas Pioneer, 20 Noviembre 2009;

Posible solución relativista a la anomalía de las sondas Pioneer, 20 Octubre 2009;

Otra explicación numerológica para la anomalía de las sondas Pioneer 10 y 11, 18 Octubre 2009;

Aceleración planetaria de sondas espaciales: Una anomalía y una fórmula que buscan una explicación, 10 Octubre 2009;

La explicación española de la anomalía de las sondas Pioneer, 15 Septiembre 2009;

Los últimos datos sobre la anomalía de las sondas Pioneer apuntan a la materia oscura y a nueva física más allá del Modelo Estándar, 3 Julio 2009;

La anomalía de la sonda Pioneer y la incertidumbre en la órbita de Plutón, 4 Mayo 2009;

Descubrimientos recientes sobre la anomalía de las sondas Pioneer (Earth flyby anomaly en 5 sondas espaciales), 5 Marzo 2008; y

El sistema solar como un gran laboratorio para la gravedad (o ideas sobre la anomalía de las sondas Pioneer), 28 Enero 2008.

Los satélites de Neptuno podrían descartar una solución gravitatoria a la anomalía de las sondas Pioneer

Iba a escribir una entrada sobre el reciente artículo de Lorenzo Iorio, «Does the Neptunian system of satellites challenge a gravitational origin for the Pioneer anomaly?,» ArXiv, 15 Dec. 2009. Sin embargo, he visto que Kanijo se me ha adelantado con «Descartada la gravedad como causa de la anomalía de las Pioneer,» Ciencia Kanija, 18 Dic. 2009, traducción de Kentucky FC (pseudónimo), «Gravity Ruled Out as the Cause of the Pioneer Anomaly,» ArXiv blog, December 17, 2009. Recomiendo desde aquí la lectura del artículo de Kanijo y del artículo original de Iorio.

El artículo de Iorio recuerda que las explicaciones de la anomalía de las sondas Pioneer que consideran que la gravedad lejos del Sol cambia con un término de aceleración de algún tipo también deberían ser aplicables a los satélites de los grandes planetas gaseosos. El mejor para verificar esta posibilidad es Neptuno (la trayectoria de Caronte alrededor de Plutón se conoce con poco detalle, hasta que sea estudiada en julio de 2015 por la sonda New Horizons). Iorio nos muestra en su artículo que la gravedad convencional explica las órbitas de estos satélites sin necesidad de incluir ninguna aceleración adicional.

¿Descarta definitivamente una explicación de tipo gravedad modificada el trabajo de Iorio? Realmente no, aunque es una evidencia teórica fuerte en su contra. Como el propio Iorio nos recuerda en el resumen de su artículo «Further investigations based on a re-processing of the satellites’data with modified equations of motions including an additional Pioneer-type force may shed further light.» Este último comentario es importante ya que algunas modificaciones de la gravedad utilizadas para explicar las anomalías de tipo Pioneer, que se han observado también en otras sondas, asumen efectos debidos a los flyby de las sondas alrededor de planetas. Estas trayectorias abiertas son diferentes de las trayectorias cerradas de los satélites alrededor de los planetas. Así que habrá que esperar a estudios posteriores para descartar definitivamente este tipo de soluciones. Aunque obviamente, algunas de las explicaciones de tipo gravitatorio sí que quedan descartadas.

Disipación térmica asimétrica como causa de la anomalía de las sondas Pioneer

Parece ayer, pero fue hace casi más de un año y medio. Hay una explicación térmica a la anomalía de las sondas Pioneer, una disipación térmica asimétrica debido a la geometría de la propia sonda. Podéis recordarlo en «El sistema solar como un gran laboratorio para la gravedad (o ideas sobre la anomalía de las sondas Pioneer),» 28 Enero 2008 y en «Descubrimientos recientes sobre la anomalía de las sondas Pioneer (Earth flyby anomaly en 5 sondas espaciales),» 5 Marzo 2008. Sin embargo, antes del verano nos hicimos eco de un artículo que descartaba esta solución en «Los últimos datos sobre la anomalía de las sondas Pioneer apuntan a la materia oscura y a nueva física más allá del Modelo Estándar,» 3 Julio 2009. Un nuevo artículo reabre la posibilidad de una explicación térmica a la anomalía de las sonda Pioneer (y de otras sondas), en concreto, de los alemanes Benny Rievers, Claus Lämmerzahl, Meike List, Stefanie Bremer, Hansjörg Dittus, «New powerful thermal modelling for high-precision gravity missions with application to Pioneer 10/11,» New Journal of Physics 11: 113032, November 2009. 

Os recuerdo a los despistados. Las medidas por efecto Doppler de la aceleración de las sondas Pioneer 10 y 11 durante 25 años muestran una deceleración que no se puede explicar con la ley de la gravedad de Newton (o Einstein) aplicada a la trayectoria de estas sondas si se consideran todos los planetas del Sistema Solar. Varios grupos de investigadores han confirmado dicha anomalía independientemente. La hipótesis más conservadora es que el calor que genera el sistema de propulsión de la sonda se disipa (radia) de forma asimétrica debido a la propia geometría de la sonda, de tal manera que se produce una fuerza (aceleración) efectiva. El análisis mediante elementos finitos de esta fuerza es complicado y ha sido emprendido por varios autores. El nuevo artículo no resuelve el asunto definitivamente, pero introduce un algoritmo de trazado de rayos para la resolución del problema del cálculo de la radiación térmica emitida por una sonda a partir de su geometría y afirma que para las sondas Pioneer 10 y 11 se obtiene una fuerza efectiva finita no despreciable. Los autores utilizan una geometría simplificada para estas sondas e indican que en un futuro utilizarán una geometría más detallada para resolver definitivamente la cuestión. Habrá que estar al tanto.

Posible solución relativista a la anomalía de las sondas Pioneer

No me convence, pero el profesor emérito Victor M. Bogdan (también conocido como Witold M. Bogdanowicz) cree haber encontrado una explicación relativista a la anomalía de las sondas Pioneer basada en una corrección relativista introducida durante el flyby de una sonda espacial alrededor de un planeta. Según él, en cálculos previos no se ha tenido en cuenta la rotación propia del planeta que introduce un ligero cambio de origen relativista en la fuerza gravitatoria debida al Sol. Bogdan utiliza un resultado matemático reciente de él mismo, que denomina «teorema de Bogdan-Feynman.» Para mí esta corrección relativista de un campo en rotación no está completamente justificada. Aún os lo dejo para vuestro atento análisis. Los artículos que los interesados habrían de leer son, por un lado, el breve sobre la anomalía, V.M. Bogdan, «NASA’s satellite orbit anomaly problem can be solved precisely in the frame of Einstein’s special theory of relativity. Anomaly confirms that gravity fields propagate with velocity of light as Einstein predicted,» ArXiv, Submitted on 17 Oct 2009, y por otro lado el más extenso sobre el teorema de Bogdan-Feynman, V.M. Bogdan, «Fields generated by a moving relativistic point mass and mathematical correction to Feynman’s law,» ArXiv, Submitted on 29 Sep 2009.

Como curiosidad, os informo que en el primero de estos artículos Bogdan afirma que descubrió la existencia de la anomalía de las sondas Pioneer gracias a un documental en youtube de un tal Anderson que cree que la causa de la anomalía puede ser un planeta X.

La anomalía de la sonda Pioneer y la incertidumbre en la órbita de Plutón

Ya hemos hablado en varias ocasiones en este blog de la anomalía de la sondas Pioneer (no se mueven a la velocidad que «deberían,» no están donde deberían estar). La explicación puede ser sencilla, el calor de los motores influye, o muy exótica, la gravedad en los límites del Sistema Solar es diferente a la Tierra. ¿Afecta la anomalía de las Pioneer a la órbita de los planetas exteriores? ¿Podemos confirmarla con la órbita de Plutón? La respuesta es que no, incluso si afecta. Nuestra incertidumbre en la órbita de Plutón es mucho mayor de la necesaria para verificar o refutar la anomalía. De hecho la órbita de Plutón actual es compatible con dicha anomalía (tanto si ésta se da como si no). El análisis técnico lo podéis leer en Gary L. Page, John F. Wallin, David S. Dixon, «How Well Do We Know The Orbits Of The Outer Planets?,» ArXiv, Submitted on 1 May 2009 .

Las medidas astrométricas de los planetas exteriores del Sistema Solar no son lo suficientemente precisas como para detectar perturbaciones similares a la anomalía de las sondas Pioneer (pequeñas desviaciones «aparentes» de la Ley de Gravitación Universal). ¿Por qué podemos medir con más precisión la posición de una pequeña sonda y no la de un planeta tan «grande» como Plutón? La razón es sencilla: la sonda emitía señales periódicas hacia nosotros (no emite desde 2003), del planeta sólo recibimos lo que vemos mediante telescopios (incluso los mejores telescopios son malos cuando un objeto se encuentra tan lejos del Sol como Plutón).

No sé para tí, pero para mí es curioso lo poco que conocemos del Sistema Solar, lo lejos que están las cosas que conocemos. Como decía Rubén «La vida te da sorpresas, sorpresas te da la vida, ay Dios… Como decía mi abuelita, el que último ríe, se ríe mejor…» (al leerlo hay que entonar, ¡¡eh!!).

Entradas relacionadas con la anomalía de la sonda Pioneer en este blog:

El sistema solar como un gran laboratorio para la gravedad (o ideas sobre la anomalía de las sondas Pioneer) Publicado por emulenews en Enero 28, 2008 .

Descubrimientos recientes sobre la anomalía de las sondas Pioneer (Earth flyby anomaly en 5 sondas espaciales) Publicado por emulenews en Marzo 5, 2008 .

¿Es el sistema solar esférico? (o Voyager y Pioneer en los límites del Sistema Solar) Publicado por emulenews en Marzo 7, 2008 .

Descubrimientos recientes sobre la anomalía de las sondas Pioneer (Earth flyby anomaly en 5 sondas espaciales)

Sonda espacial Rosetta (ESA)

 Se acaba de publicar un nuevo resultado en relación a la anomalía de las sondas Pioneer (de la que ya hemos hablado en este blog), más en concreto en una anomalía similar en varias sondas (Galileo, NEAR, Cassini, Rosetta, y Messenger) de sólo unos milímetros por segundo de desviación en la velocidad esperada en acercamientos de estas sondas a la Tierra, Earth flybys, utilizados para acelerar estas sondas y «catapultarlas» a su destino (Geoff Brumfiel, «Anomalies spotted in spacecraft flight,» Nature News, 4 March 2008). La explicación que dimos (radiación térmica anisotrópica en la sonda), quizás explique el efecto, todavía no lo sabemos, se requiere un estudio térmico de cada una de estas sondas, todavía por realizar, pero lo que parece cierto es que el efecto es «verdadero», como se acaba de publicar el 3 de marzo de 2008 en John D. Anderson, James K. Campbell, John E. Ekelund, Jordan Ellis, and James F. Jordan, «Anomalous Orbital-Energy Changes Observed during Spacecraft Flybys of Earth,» Physical Review Letters, 100: 091102 (2008). Lo que se necesita es una explicación.

Cuando estas sondas pasan cerca de la Tierra, se observan desviaciones pequeñas, pero superiores a los errores sistemáticos de medida, en su velocidad y dirección respecto a los modelos teóricos. Los autores del artículo PRL, del Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA, Pasadena, California, han observado errores en velocidad del orden de milímetros por segundo para sondas espaciales que se mueven a velocidades de kilómetros por segundo, todo un logro de la técnica gracias al uso del efecto Doppler en las señales de radio recibidas desde la sondas, como dice el IP (investigador principal) del estudio John Anderson «It’s small, but you can see it clearly in the data.»

En mi opinión las respuestas esotéricas (cambios en la ley de gravitación universal o nuevas leyes físicas) son menos razonables que meros «errores» de modelado, que se hayan despreciado efectos, supuestamente muy pequeños, que se acumulan y en realidad no lo son, más aún teniendo en cuenta lo extremadamente pequeño de la desviación observada.

John D. Anderson y su equipo han observado que los cambios en la energía orbital de las sondas estudiadas son proporcionales a la energía orbital total por unidad de masa, obteniendo una fórmula empírica muy sencilla para «modelar» el efecto (mostrada en la figura de arriba, que muestra la trayectoria más asimétrica de las estudiadas, correspondiente a la sonda NEAR). No hay explicación (todavía) para esta fórmula. Se conoce el efecto, pero nadie conoce la causa. El tiempo dirá. Tiempo al tiempo.